GIS技术下的高校虚拟校园系统设计

◆罗奇 徐红丽

GIS技术下的高校虚拟校园系统设计

◆罗奇 徐红丽

随着信息技术的快速发展，数字地球建设成为地理信息系统发展领域的热点课题，虚拟校园建设成为各高校和研究机构关注的焦点。简单介绍GIS技术，以某高校为例，介绍虚拟校园系统的构建技术与流程。

GIS；虚拟校园；系统设计；数字校园

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.14.028

1　GIS技术概述

GIS技术是Geographic Information Systems的缩写形式，翻译为地理信息系统，主要是采用电脑模拟仿真出与现实世界环境一致的三维空间，让用户在不同空间都能体验身临其境的感受，达到时空交替的效果。它能够使用户通过网络直观地感受到时空的交替，产生人机相融的体验。随着互联网的快捷发展，物联网、大数据、云计算等新技术也运用到安防领域。如今，GIS技术已被广泛应用到公安、交通、金融、教育、医疗卫生等多个领域，作用也越来越大。

虚拟校园系统是数字校园建设的基础，它的研究和创建对以后数字校园的建设有重要的现实意义。它是一个三维可视化的、有声有色的仿真校园景观，既可以为学校树立良好的形象，提高学校的知名度，宣传校园文化，还可以作为校园规划的辅助工具，在对校园内部的建筑物、道路、辅助设施进行修建规划时，可以在这个虚拟三维环境中动态交互地对未来校园环境进行全面的审查，为校园规划和设计提供更明确的目标。同时也提高了校园管理的效率和科学化水平，加快校园建设。

2　某高校虚拟校园系统设计

高校地域分布较广、地理环境复杂，对学校管理部门来说，要全面掌握所辖区域的校园详细情况比较困难。同时，由于缺乏校园基础地理信息的支持，无法对师生提供各类地理信息服务。虚拟校园作为传统校园的补充，应用简单快捷，随着高校构建的万兆主干、有线接入、无线覆盖的多功能网络系统以及各类信息管理系统，都为高校构建虚拟校园提供了很好的支撑。虚拟校园系统总体设计要根据用户的需求，明确分析系统的功能，以开发系统必备的软硬件条件为技术支撑，确保系统中的各个模块都能发挥应有的功能。

本文以某高校作为研究对象，利用最新的计算机虚拟现实技术和GIS技术设计了虚拟校园系统，以构建逼真的校园环境。

虚拟校园系统的需求分析 要想构建科学合理的虚拟校园系统，就需要分析虚拟校园系统想要实现的功能。

首先要建立基于GIS的可视化的三维校园地理信息管理系统，在数据库方面要完成能够覆盖教学、人事、科研、第二课堂、就业、健康等核心业务数据仓库模型和数据集市模型的设计与实现，并可与学校相关应用系统集成，要对学校的对外形象宣传、招生宣传、信息化管理产生重要的作用。

其次是针对师生生活、学习需求，建设基础信息服务平台，建立三维校园基础地理信息库，提供现代化的地理信息服务，搭建微信公众平台，包括常用查询、一站式服务大厅、主题服务和系统服务等，提供各类操作，覆盖课表查询、空闲教室查询、成绩查询等教学服务，校园一卡通充值、挂失、补办、收支查询等服务，图书借阅、图书馆客流查询等图书服务，以及电影预告、宣讲会、专家门诊等生活、就业、健康服务等查询服务。

再次是真实呈现校园，创建出学校的教学楼、图书馆、食堂、宿舍楼、体育场、道路、广场、花园、树木等虚拟模型，使学生全面了解校园布局，实现校园3D虚拟浏览、地下管网展示、校园监控、各类资产的地图定位和校园导航等一系列功能，提供基于地理信息系统的全方位应用与数据分析，推动学校进入校园资产、管线、车辆、监控等可视图形化管理阶段，实现学校的全方位精细化管理，为学生尽快适应学习、生活提供方便。

系统总体设计方案 在综合分析系统应用范围、功能、性能需求等方面的基础上，将系统分为查询定位模块、视图管理模块、地图编辑模块、三维浏览模块、地理测量模块以及地图输出模块，如图1所示。

1）查询定位模块。查询定位模块分为属性查询和空间查询两种模式，用户只需要点击界面上的模式按钮，就可进入相应的查询界面。如进行位置查询时，用户只需要点击感兴趣的设施，界面上就会出现该设施的相关属性信息；进行属性查询时，用户需要点击搜索按钮，进入搜索页面后在文本框中输入所需要查询的目标名称，点击查找按钮，就可在界面上呈现以该目标为中心的地图，并且该目标用特殊的颜色显示出来。

2）视图管理模块。该模块主要的功能为浏览，由三维浏览、平面图浏览以及影像图浏览三个子模块构成，浏览中可以应用放大、缩小和移动的功能。用户在浏览时，可能因为地图显示的大小跟位置因素，无法将所有的目标全部显示在当前浏览的界面上，这时移动功能就可发挥功效，用户只需要操作鼠标，就可在任意方向移动地图，实现自由浏览的功能。地图可按照分级的方式进行放大缩小，也可以通过鼠标滚轮实现放大缩小。提供相应的工具箱，如矩形框选定某一区域，该区域被放大，充满地图显示窗。

3）地图编辑模块。地图编辑模块由要素添加和属性添加两种模式构成，通过点击页面上的两个模式按钮，进入相应的模式，用户可以随时添加、删除与修改各类3D数据对象，方便用户对3D数据进行统一管理。使用本模块时，用户要点击地图编辑，进入地图编辑页面，选择下边的颜色，在地图上需标注的地方建立多边形，在弹出的属性窗口内进行标注；点击取消按钮，删除标注。

4）三维浏览模块。三维浏览模块使用Unity跟Google Earth两种软件，校内外用户均可以通过Internet对高校相关校区进行3D虚拟浏览，实现校园内所有3D虚拟对象的选择性展示与选择性叠加，以满足本系统特定用户群体对校园内各类虚拟对象的特定感知要求。

5）地理测量模块。该模块具有坐标查询、曲线距离量算、折线距离量算和面积测量四个功能。用户可以依据各自的权限，调用校园内相关位置的实物摄像头，进行对应场景的实时、实景查看；通过三维及二维地图，对建筑物、道路、桥梁等重要设施进行分类信息检索，并可查询定位；支持数据显示以及分析的二三维一体化，通过系统实现路径测距，道路及绿化、水面等面积测算；完成二维各图层的独立与合并显示，可通过透明度变化达到二三维图层结合显示，可以360°查看任意范围、任意深度的地下管网系统，并可进行量化与打印，方便项目施工与项目维修。用户只需要点击鼠标进入相应的页面，就可得到相应的结果。

6）地图输出模块。该模块支持导入、导出标准CAD格式的图纸，支持导入3DS模型数据。用户只需要点击打印地图选项，进入地图输出页面，点击按实际大小输出按钮或者按纸张大小输出按钮，进行打印选项设置，就可打印。

3　虚拟校园系统的核心技术要求

虚拟校园系统的用户分为两类：一类是高校大学学生、教师、管理人员、各级领导、广大中学教师、中学学生、学生家长及其他的海内外友好人士；另一类是该高校虚拟校园的系统管理员、后勤服务与管理人员。根据不同的用户名分配不同的系统管理权限。

本系统利用3DS Max建立学校建筑物的三维模型，所有对象的数据模型采用单体建模的方式来建立，方便3D系统的动态集成，便于数据管理和数据维护。对象模型采用obj格式保存，兼容3DMAX等主流3D建模软件系统，支持基于iOS、Android的手机和平板电脑，提供统一的校园其他子系统的数据接口，用户可自主在各图层上标注带有经纬度信息的相关设备，提供具有企业级软件系统架构特性的数据字典、对象字典、服务字典、中间件字典等相关管理工具。

为了能够保证系统的高效、安全运行，提高本系统未来的开放性与可拓展性，整个系统使用自主知识产权的3D引擎技术，支持OGC的空间数据引擎，底图使用Google地图的航拍图，校园三维及二维地图符合标准GIS信息格式；包含准确的地理信息，如经纬度信息；三维地图符合国家标准坐标系，与二维电子地图、基础地形数据做好无缝叠加。

系统采用当前主流的技术架构进行软件系统的设计，开发先进的构件模块平台和灵活的B/S架构，能够提供数据备份的机制，一旦运行中的数据遭到破坏，可以从备份中快速得到恢复，可以与统一身份认证、共享数据中心、信息门户等学校数字化校园基础平台进行对接；目录服务系统在并发访问量达到高峰时，系统响应时间小于2秒；在网络流量正常的情况下，数据缓冲时间小于3秒；精确度高，3D系统中的建筑物、道路、特定景点在系统中的经纬度与实际经纬度的误差小于1米；客户端打开以后，客户端机器内存消耗增加不超过500 M字节，CPU资源消耗增加不超过30%。

系统7×24小时可用，能够在1小时内从停机中恢复，具有很好的系统开放性，除了使用自定义表单进行新业务模块的扩展外，还提供二次开发接口和各种应用集成方案，方便和其他外部系统进行整合。提供接口进行地图显示的二次开发和功能调用，支持在系统平台基础上开发适合校方业务需求的地理信息系统。采用多种数据备份策略，如全备份、增量备份、差分备份、按需备份等。具体有数据库及其表、定义在注册表中的对象目录、应用程序系统、数据目录、临时目录、系统注册信息表、系统文件数据、应用程序日志数据、系统日志数据、安全日志数据等日志数据、服务器文件系统数据。

4　结语

信息化正在为人类开辟新的发展空间——虚拟空间。现实空间与虚拟空间的互联互通，极大地拓展了人类的生存视野。而学校的虚拟校园，正是在信息化教育方面出现的一个全球范围的革命性产品。虚拟校园系统的设计与实现将校容校貌展示、招生宣传、校园信息化管理有机结合起来，成为校园门户网站不可缺少的栏目，是数字化校园建设的大势所趋。■

［1］李芙蓉.基于GIS的三维虚拟校园的设计与实现［D］.西安：长安大学，2014.

［2］於永东，路明月，许笛，等.基于GIS的三维虚拟校园设计与实现［J］.南京信息工程大学学报：自然科学版，2012（1）：81-86.

［3］李芙蓉，李佳宁，王秀梅.基于GIS的虚拟现实技术的应用［J］.北京联合大学学报，2013（3）：17-20.

TP315

B

1671-489X（2016）14-0028-03

作者：罗奇，湖南信息职业技术学院讲师，研究方向为计算机应用技术；徐红丽，湖南信息职业技术学院（410200）。